一种基于干扰观测器的船舶减摇鳍滑模控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于干扰观测器的船舶减摇鳍滑模控制方法，包括以下步骤：步骤1、根据船舶参数确定船舶横摇动力学方程；步骤2、根据船舶动力学方程，写出其状态空间形式，并确立不确定项；步骤3、设计非线性干扰观测器，对不确定项进行观测、估计；步骤4、根据步骤3中对不确定项的观测估计值，设计指数收敛的滑模控制器；步骤5、验证干扰观测器和控制率的稳定性；所述步骤1～步骤4形成了一个闭环反馈控制系统，验证此闭环反馈系统的稳定性。本发明专利技术所涉及的干扰观测器可对船舶非线性运动模型的干扰及不确定项进行观测，可根据观测的干扰值设计控制率，减小系统对扰动的响应。

【技术实现步骤摘要】
一种基于干扰观测器的船舶减摇鳍滑模控制方法
本专利技术涉及船舶减摇鳍控制策略，具体涉及一种基于干扰观测器的船舶减摇鳍滑模控制方法。
技术介绍
在船舶航行运营中，安全性和舒适性是基本的要求，都期望船舶以较小或近似为零的横摇角航行，一来可以提高安全性和舒适性，二来可以确保船舶精密仪器的工作需求，此外较小的横摇角对于战舰武器的精度和安全提供很大的保障。船舶横摇角由海浪引起，可通过减摇鳍、减摇水舱、舭龙骨等装置减小船舶横摇角度。减摇鳍因其在高速航行中良好的减摇效果，得到广泛的应用。随着研究的深入，对减摇鳍的控制策略也是层出不穷，传统的PID控制在特定海况能够实现较好的减摇效果，但海况的变化可能会降低其减摇效果；自适应控制和模糊控制能够实现控制器参数随外界干扰的变化而变化，但其在出现机械故障的时候容易产生误操作，因此在高安全性环境中，一般不使用自适应控制和模糊控制；滑模控制通过设计滑模面是系统运行在滑动模态下，处于滑模运动的系统就具有很好的鲁棒性。滑模控制是一类特殊的非线性控制，其非线性表现在控制的不连续性，即在滑模面的两侧切换控制。而当状态轨迹到达滑模面后难以严格地沿着滑模面向平衡点滑动，而是在滑模面两侧来回穿越，产生抖振。为减小外界干扰与系统抖振本专利采用一种基于干扰观测器的指数收敛的滑模控制方法，并使用饱和函数代替符号函数减小抖振。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术公开了一种基于干扰观测器的船舶减摇鳍滑模控制方法。本专利技术的技术方案如下：一种基于干扰观测器的船舶减摇鳍滑模控制方法，具体包括以下步骤：步骤1、根据船舶参数确定船舶横摇动力学方程；步骤2、根据船舶动力学方程，写出其状态空间形式，并确立不确定项；所述不确定项由船舶所受外界干扰和船舶参数摄动造成；步骤3、设计非线性干扰观测器，对不确定项进行观测、估计；步骤4、根据步骤3中对不确定项的观测估计值，设计指数收敛的滑模控制器。其进一步的技术方案为，还包括步骤5：验证干扰观测器和控制率的稳定性；所述步骤1～步骤4形成了一个闭环反馈控制系统，还包括验证此闭环反馈系统的稳定性。其进一步的技术方案为：所述船舶横摇动力学方程如下；其中，φ为船舶横摇角度；Mw为海浪干扰力矩；Mc为减摇鳍产生的船舶横摇控制力矩；(I+ΔI)为船舶横摇的船体惯性矩和附加惯性矩之和；为非线性阻尼系数模型；C(φ)为船体恢复力矩模型。其进一步的技术方案为：所述海浪干扰力矩Mw正比于海浪波倾角αe，即Mw＝cαe，c为力矩系数；船舶横摇控制力矩Mc与减摇鳍角度αf呈线性关系，即Mc＝bαf，b为力矩系数；选取即船舶横摇角度x1、横摇角速度x2作为状态变量；y＝φ＝x1作为输出变量；u＝αf作为控制信号输入变量；船舶横摇动力学方程转化为状态空间形式为：则可表示为：上式中，F表示不确定项的相反数；不确定项具体包括非线性恢复力矩不确定摄动项(Δa1x1、Δa2x13、Δa3x15)、非线性阻尼不确定摄动项(Δa4x2、Δa5|x2|x2、Δa6x23)和外界干扰Δcαe的总和，即：F＝-(Δa1x1+Δa2x13+Δa3x15+Δa4x2+Δa5|x2|x2+Δa6x23+Δbu+Δcαe)。其进一步的技术方案为：所述非线性干扰观测器为：上式中，为对所述不确定项F的观测估计，为对横摇角速度x2的观测估计；k1>0,k2＞0。其进一步的技术方案为：所述滑模控制率为：上式中，s为滑模函数；现有技术中基于指数趋近律的滑模函数导函数为ε、k为指数趋近律的等速项和指数项常参数；e为船舶横摇角偏差；为系统期望船舶横摇角加速度值；c为滑模函数比例系数。其进一步的技术方案为：在滑膜控制率的计算公式中，使用饱和函数sat(s)代替符号函数sgn(s)。其进一步的技术方案为：根据定常系统大范围渐进稳定判别定理2，设计Lyapunov函数，验证干扰观测器和控制率的稳定性，并验证闭环反馈系统的稳定性。其进一步的技术方案为，验证稳定性的方法具体为：定义干扰观测器的Lyapunov函数为：对上式求导得到：假设F为慢时变信号，即很小，k1取值较大时，上式可近似写为：因此，干扰观测器稳定；验证控制器的稳定性的方法为：定义Lyapunov函数为：则由得：因此，控制器稳定；验证闭环系统的稳定性的方法为；定义闭环系统的Lyapunov函数为：由干扰观测器、控制率的稳定性的验证过程可得：因此，闭环系统稳定。本专利技术的有益技术效果是：(1)、本专利技术所涉及的干扰观测器可对船舶非线性运动模型的干扰及不确定项进行观测，可根据观测的干扰值设计控制率，减小系统对扰动的响应；(2)、本专利技术结合干扰观测器观测值设计指数收敛的滑模控制率，并使用饱和函数代替符号函数较小抖振，鲁棒性强、减摇效果良好；并用饱和函数代替符号函数，减小了系统抖振使控制参数更平滑，减小对执行机构减摇鳍的磨损；(3)、本专利技术基于干扰观测器的滑模控制，对非线性系统控制具有良好的控制效果。附图说明图1是减摇鳍滑模控制方法流程图。图2是减摇鳍滑模控制系统结构图。具体实施方式图1是减摇鳍滑模控制方法流程图。如图1所示，本专利技术所述的基于干扰观测器的船舶减摇鳍滑模控制方法，具体包括以下几个步骤：步骤1、根据船舶参数，确定船舶横摇动力学方程如下；其中，φ为船舶横摇角度；Mw为海浪干扰力矩，近似的，海浪干扰力矩Mw正比于海浪波倾角αe，即Mw＝cαe，c为力矩系数；Mc为减摇鳍产生的船舶横摇控制力矩，近似的，船舶横摇控制力矩Mc与减摇鳍角度αf呈线性关系，即Mc＝bαf，b为力矩系数；(I+ΔI)为横摇的船体惯性矩和附加惯性矩之和；为非线性阻尼系数模型；C(φ)为船体恢复力矩模型；将式(1)展开，可得由式(2)得：式(3)方程两边同时除以(I+ΔI)得：式(4)中：a1＝-C0/(I+ΔI)；a2＝-C2/(I+ΔI)；a3＝-C4/(I+ΔI)；a4＝-D0/(I+ΔI)；a5＝-D11/(I+ΔI)；a6＝-D22/(I+ΔI)；考虑船舶所受外界其他干扰的不确定性因素和参数摄动，将式(4)转化为：步骤2、根据步骤1中的船舶横摇动力学方程，写出其状态空间形式，并确立不确定项；选取即船舶横摇角度x1、横摇角速度x2作为状态变量，y＝φ＝x1作为输出变量，u＝αf作为船舶横摇动力学模型控制信号输入变量。式(5)转化为状态空间形式为：将表示为：式(7)中，F为不确定项，表示非线性恢复力矩不确定摄动项(Δa1x1、Δa2x13、Δa3x15)、非线性阻尼不确定摄动项(Δa4x2、Δa5|x2|x2、Δa6x23)和外界干扰Δcαe的总和的相反数：F＝-(Δa1x1+Δa2x13+Δa3x15+Δa4x2+Δa5|x2|x2+Δa6x23+Δbu+Δcαe)。步骤3、设计非线性干扰观测器；本专利技术设计如下形式的观测器：式(8)中，为对不确定项F的观测估计，为对横摇角速度x2的观测估计；式(8)中，k1>0,k2＞0。定义非线性干扰观测器的观测误差为：且假设干扰的变化是缓慢的，即则式(9)可转化为如下的观测器误差系统动态方程：步骤4、根据观测器的观测估计结果，设计指数收敛滑模控制率。取滑模函数s为:式(11)中，e＝x1d-x1为横摇角偏差，为横摇角偏差导数，即横摇角速度偏差，x1d、分别本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于干扰观测器的船舶减摇鳍滑模控制方法，其特征在于，具体包括以下步骤：步骤1、根据船舶参数确定船舶横摇动力学方程；步骤2、根据船舶动力学方程，写出其状态空间形式，并确立不确定项；所述不确定项由船舶所受外界干扰和船舶参数摄动造成；步骤3、设计非线性干扰观测器，对不确定项进行观测、估计；步骤4、根据步骤3中对不确定项的观测估计值，设计指数收敛的滑模控制器。

【技术特征摘要】
1.一种基于干扰观测器的船舶减摇鳍滑模控制方法，其特征在于，具体包括以下步骤：步骤1、根据船舶参数确定船舶横摇动力学方程；步骤2、根据船舶动力学方程，写出其状态空间形式，并确立不确定项；所述不确定项由船舶所受外界干扰和船舶参数摄动造成；步骤3、设计非线性干扰观测器，对不确定项进行观测、估计；步骤4、根据步骤3中对不确定项的观测估计值，设计指数收敛的滑模控制器。2.如权利要求1所述的基于干扰观测器的船舶减摇鳍滑模控制方法，其特征在于，还包括步骤5：验证干扰观测器和控制率的稳定性；所述步骤1～步骤4形成了一个闭环反馈控制系统，还包括验证此闭环反馈系统的稳定性。3.如权利要求1所述的基于干扰观测器的船舶减摇鳍滑模控制方法，其特征在于：所述船舶横摇动力学方程如下；其中，φ为船舶横摇角度；Mw为海浪干扰力矩；Mc为减摇鳍产生的船舶横摇控制力矩；(I+ΔI)为船舶横摇的船体惯性矩和附加惯性矩之和；为非线性阻尼系数模型；C(φ)为船体恢复力矩模型。4.如权利要求3所述的基于干扰观测器的船舶减摇鳍滑模控制方法，其特征在于：所述海浪干扰力矩Mw正比于海浪波倾角αe，即Mw＝cαe，c为力矩系数；船舶横摇控制力矩Mc与减摇鳍角度αf呈线性关系，即Mc＝bαf，b为力矩系数；选取即船舶横摇角度x1、横摇角速度x2作为状态变量；y＝φ＝x1作为输出变量；u＝αf作为控制信号输入变量；船舶横摇动力学方程转化为状态空间形式为：则可表示为：上式中，F表示不确定项的相反数；不确定项具体包括非线性恢复力矩不确定摄动项(Δa1x1、Δa2x13、Δa3x15)、非线性阻尼不确定摄动项(Δa4x2、Δa5|x2|x2、Δa6x23)和外界干扰Δcαe的总和，即：F＝-(Δa1x1+Δa2x13+Δa3x15+Δa4x2+Δa5|x2|x2+Δa6x23+Δbu+Δcαe)。5.如权利要求4所述的基于干扰观测器的船舶减摇鳍滑模控制方法，其特征在于，所述非线性干扰观测器为：上式中，为对所述不确定项F的观测估计，为对横摇角速度x2的观测估计；k1>0,k2＞0。6.如权利要求5所述的基于干扰观测器的船舶减摇鳍滑模控制方法，其特征在于：所述滑模控制率为：上式中，s为滑模函数；现有技术中基于指数趋近律的滑模函数导函数为ε、k为指数趋近律的等速项和指数项常参数；e为船舶横摇角偏差；为系统期望船舶横摇角加速度值；c为滑模函数...

【专利技术属性】
技术研发人员：金仲佳，顾民，张进丰，魏纳新，
申请(专利权)人：中国船舶科学研究中心中国船舶重工集团公司第七零二研究所，
类型：发明
国别省市：江苏,32